一种二阶曲率补偿的带隙电压基准

摘 要:设计一种二阶曲率补偿的带隙电压基准。基于一阶曲率补偿的基准电路,利用二极管正向导通附近电流I与电压V的非线性关系,将补偿电流注入PTAT电流来补偿Vbe的二阶项。运用0.35 μm工艺的器件模型Cadence工具下进行了仿真,在-50～+120 ℃温度范围内,一阶曲率补偿带隙电压基准的温度系数为16.6 ppm/℃,经过二阶曲率补偿的带隙电压基准的温度系数减小到约为3.07 ppm/℃,带隙电压基准的温度特性得到了很大改善。整个补偿电路使用器件少、占用面积小、实用性强。

关键词:带隙电压基准;二阶曲率补偿;温度系数;温度特性

中图分类号:TN43

0 引 言

随着便携式电子产品的高速发展,使得对低压低功耗的带隙基准源的需求大大增加。为了缩小电池尺寸和延长电池寿命,需要基准电压源电路工作在2 V以下的电压和μA量级的静态电流下,同时还要保证较高的电路性能,如低温漂、高电源抑制比等。

一般设计的一阶带隙基准源完全满足不了对高精度基准源的要求。要提高带隙基准电压源的精度,就必须对基准进行高阶补偿,国内外很多学者对带隙基准的高阶补偿进行了研究[5[CD*2]7]。基于一阶补偿带隙电压基准,针对温度系数性能进行了改进,设计一种结构非常简单的二阶带隙电压基准,使其温度系数得到了很大的提高。

1 传统带隙电压基准

1.1 Vbe的温度特性

双极性晶体管的Vbe随温度的变化而变化,它的温度特性可表示为:

式中:K1表示温度为0 K时PN结二极管电压;V┆be(T0)是温度为T0时的发射结电压;T是绝对温度;k为波尔兹曼常数;T0是参考温度;η是与工艺有关与温度无关的系数;α的值与集电极电流的温度特性有关,当集电极电流与温度成正比(PTAT)时,α=1;当集电极电流与温度无关的时候,│=0。

由式(1)可知,V┆be中与温度相关的非线性项为Tln T,Ы式(1)展开为泰勒级数可表示为:

由此可见,Vbe中的非线性项Tln T在很大程度上影响了基准的精度,带隙电压基准补偿进行高阶补偿,就能提高带隙基准的精度。

1.2 传统带隙电压基准原理的分析

图1所示为一种典型的传统带隙电压基准的发射极面积之比为1∶8,放大器的存在使得A,B两点电压近似相等,那么流过R1的电流即PTAT(Proportional to Absolute Temperature)电流为:

由PMOS管组成的电流镜结构使得各支路电流近似相等,输出的基准电压就为:

由于V┆be3具有负温度特性,VT具有正的温度特性,因此,只要选择合适的R1,R2就能得到近似零温度系数的基准,通过计算可以得出R2/R1约为8.27。

2 带隙电压基准的二阶曲率补偿

[BT3]2.1 晶体二极管的伏安特性

由文献[9]可知,晶体二极管的伏安特性可表示为:

式中:IS为反向饱和电流,其值与PN结两边的参杂浓度有关。VT称为热电压(Thermal Voltage),与温度T有关。室温即T=300 K时VT26 mV。图2所示为晶体二极管的伏安特性,由图所示,在导通电压0.7 V附近,电流和电压可近似看成一种二阶指数关系。

[BT3]2.2 二阶曲率补偿原理

传统的带隙电压基准只是对Vbe的一阶项进行补偿。因此这种补偿的精度较低,一般的传统带隙电压基准的温度系数为20～30 ppm/℃,要使带隙电压基准的精度提高就得对Vbe的高阶项进行补偿。如图3所示为一种简单的二阶曲率补偿的核心电路。该电路的特点是器件少,占用面积小,在传统带隙电压基准的基础上,只添加了一个电阻R3和一个二极管D。在补偿电路中,晶体二极管D两端电压被偏置在导通电压0.7 V左右。

由晶体二极管的温度特性可知,二极管两端电流随着温度的升高而略有增加,电阻R3两端电压略有上升,那么二极管两端电压VD相应降低。

由图2可知,在导通电压附近,电压细小变化将导致电流迅速降低,电流电压成近似二阶指数关系。

正是利用二极管的这种特性,当补偿电流注入PTAT电流后,抵消了电流中所含的二阶非线性项,实现了二阶曲率补偿。

图4给出了该电压基准的其他电路,主要组成部分有:启动电路、偏置电路、放大器电路[10,11]。通过分析可知,该偏置电路中有两个稳定的工作点,因此,该偏置电路是必须的,否则可能导致整个电路无法工作。

3 仿真结果分析

该电路基于0.35 μm工艺,利用Cadence工具对电路进行了仿真,补偿前后的温度特性曲线如图5所示,通过计算得到补偿后的温度系数约为3.07 ppm/℃,对比传统带隙电压基准约16.6 ppm/℃的温度系数,经过二阶曲率补偿后的基准源的温度特性得到了很大的改善。[JP]

4 结 语

[JP2]这里给出了一种二阶曲率补偿的带隙电压基准电路。该电路利用晶体二极管在导通电压附近电流与电压的近似二阶指数关系,完成了对Vbe中的非线性项的二阶补偿,使得温度特性有了很大的改善,而补偿电路就使用了一个电阻和一个晶体二极管,非常简单,易于实现。[JP]オ[KH-1]

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